苗玉剛，何玉輝，金洪吉

一種自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)

苗玉剛，何玉輝，金洪吉

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，四川 廣元 628040）

針對目前職業(yè)院校機(jī)電一體化實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備集成固化、無法拆裝、靈活性與擴(kuò)展性差、功能單一以及成本高等問題，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備。該設(shè)備主要有瓶底－物料供應(yīng)結(jié)構(gòu)模塊、搬運(yùn)結(jié)構(gòu)模塊、瓶蓋預(yù)裝結(jié)構(gòu)模塊、成品分揀結(jié)構(gòu)模塊等幾部分組成，每個(gè)模塊可以靈活拆裝進(jìn)行獨(dú)立的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，也可以組合成多功能流水線進(jìn)行實(shí)訓(xùn)教學(xué)。研究表明設(shè)計(jì)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備結(jié)構(gòu)輕巧、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，能夠?yàn)閹熒峁┮环N滿足社會(huì)發(fā)展的教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

自動(dòng)化；生產(chǎn)線；教學(xué)設(shè)備；氣動(dòng)技術(shù)

隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略計(jì)劃的深度實(shí)施，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級步伐加快，社會(huì)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度越來越高，各種自動(dòng)化生產(chǎn)線得到了廣泛應(yīng)用，工業(yè)企業(yè)對自動(dòng)生產(chǎn)線方面的人才需求量越來越大[1-2]。為培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求，高等院校提供優(yōu)質(zhì)、全面的實(shí)訓(xùn)設(shè)備至關(guān)重要[3]。

目前大部分職業(yè)院校原先的自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)設(shè)備都是由廠家集成封裝好的，功能單一，不便于學(xué)生掌握具體的內(nèi)部構(gòu)造和工作原理，同時(shí)也不利于二次開發(fā)，大大降低了教學(xué)訓(xùn)練的效果；而新采購成套自動(dòng)化設(shè)備，價(jià)格昂貴、產(chǎn)線功能流程固定，無法根據(jù)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目需要靈活拆解、組裝，其作用大部分用于演示和參觀，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值低，無法滿足學(xué)校專業(yè)特色教育的需要[4]。

針對此問題，自主設(shè)計(jì)開發(fā)工業(yè)自動(dòng)化實(shí)訓(xùn)設(shè)備，是解決目前高校實(shí)訓(xùn)現(xiàn)狀的重要途徑，是實(shí)現(xiàn)高校培養(yǎng)真正意義上的應(yīng)用型技能人才的有效途徑[5]。因此本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備，該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、搬運(yùn)方便、擴(kuò)展靈活、拆裝簡單且綠色經(jīng)濟(jì)，能夠滿足大專院校培養(yǎng)高技能人才的訓(xùn)練需求。

1 設(shè)計(jì)思路

為了滿足制造類和自動(dòng)化類專業(yè)相關(guān)課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué)需要，自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備設(shè)計(jì)以結(jié)構(gòu)輕巧、安全實(shí)用、拆裝靈活為指導(dǎo)思想，采用模塊化組合設(shè)計(jì)原則[6]。不但每個(gè)模塊可以獨(dú)立進(jìn)行教學(xué)，同時(shí)也可以將多個(gè)模塊自由組合進(jìn)行綜合的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，教學(xué)過程由簡入繁，使學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中能深層次地掌握技術(shù)，達(dá)到舉一反三的效果[4]。設(shè)計(jì)的自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備綜合應(yīng)用機(jī)械、電氣、PLC、氣動(dòng)、傳感器等機(jī)電一體化技術(shù)，能有效縮短理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用之間的距離[7-10]。同時(shí)，使用過的電氣元器件和機(jī)械部件可重復(fù)使用，節(jié)能環(huán)保。

2 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)方案

自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備總體結(jié)構(gòu)主要由鋁型材框架結(jié)構(gòu)平臺(tái)、瓶底－物料供應(yīng)結(jié)構(gòu)模塊、搬運(yùn)結(jié)構(gòu)模塊、瓶蓋預(yù)裝結(jié)構(gòu)模塊、成品分揀結(jié)構(gòu)模塊等幾部分組成，如圖1所示。

1.瓶底－物料供應(yīng)結(jié)構(gòu)模塊 2.瓶蓋預(yù)裝結(jié)構(gòu)模塊 3.安全光柵4.三色指示燈 5.搬運(yùn)結(jié)構(gòu)模塊 6.成品分揀結(jié)構(gòu)模塊 7.控制柜 8.萬向輪9.鋁型材框架結(jié)構(gòu)平臺(tái)10.安全擋板11.控制按鈕12.HMI觸摸屏 13.電源總控開關(guān) 14.氣動(dòng)三聯(lián)件

為了使設(shè)備整體結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，大部分機(jī)械部件采用鋁合金材質(zhì)[11]。其中起支撐作用的鋁型材框架結(jié)構(gòu)平臺(tái)主要采用組合結(jié)構(gòu)，框架采用3030歐標(biāo)鋁型材組合連接，工作臺(tái)面采用3090鋁型材并排連接，框架的左面、右面和底面采用鋁塑板進(jìn)行封堵，后面和前面安裝有柜門，柜門框架采用1530鋁型材組合連接，然后在中間安裝亞克力板，框架中間的封閉空間主要用于安裝控制系統(tǒng)的硬件部分，包括網(wǎng)孔板、線槽、空氣開關(guān)、PLC模塊、開關(guān)電源、中間繼電器、接線端子排、交換機(jī)、步進(jìn)控制器等。鋁型材框架結(jié)構(gòu)平臺(tái)的工作臺(tái)面上主要安裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在左右兩端安裝有防護(hù)擋板，防護(hù)擋板主要由3030鋁型材和亞克力板構(gòu)成，在防護(hù)擋板的兩側(cè)安裝有安全光柵，用于設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的安全防護(hù)。在其中一塊防護(hù)擋板上安裝有控制按鈕和HMI觸摸屏，控制按鈕主要用于設(shè)備啟動(dòng)、停止、暫停和急停，HMI觸摸屏主要用于監(jiān)控設(shè)備的整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)；在另一塊防護(hù)擋板頂端安裝有三色指示燈，用于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示，綠色燈常亮表示設(shè)備正常運(yùn)行，黃色燈閃爍表示設(shè)備處于暫停狀態(tài)，紅色燈閃爍表示設(shè)備處于急停狀態(tài)，紅色燈常亮表示設(shè)備處于停止運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 設(shè)備工藝流程

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備工藝流程如圖2所示。瓶底－物料供應(yīng)結(jié)構(gòu)模塊主要負(fù)責(zé)瓶底自動(dòng)供應(yīng)和物料自動(dòng)裝瓶，搬運(yùn)結(jié)構(gòu)模塊主要負(fù)責(zé)將瓶底在各個(gè)工位之間運(yùn)轉(zhuǎn)，瓶蓋預(yù)裝結(jié)構(gòu)模塊主要是將瓶蓋自動(dòng)預(yù)裝到瓶底上，成品分揀結(jié)構(gòu)模塊主要是將瓶蓋壓緊，然后根據(jù)不同顏色的瓶蓋，將裝有物料的瓶子成品進(jìn)行分類。每一個(gè)模塊可以獨(dú)立構(gòu)成機(jī)電控制系統(tǒng)單元，也可以集成為一個(gè)多功能的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)單元。

打開總電源開關(guān)和氣動(dòng)三聯(lián)件氣壓旋鈕，上電指示燈亮起，氣壓表有讀數(shù)，表明實(shí)訓(xùn)設(shè)備供電供氣正常，可以開機(jī)運(yùn)行。按下啟動(dòng)按鈕后，系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)運(yùn)行模式，儲(chǔ)物筒最底層瓶底落下，傳送帶運(yùn)行，將瓶底送到物料工位后停止，儲(chǔ)物筒最底層物料裝入瓶中，傳送帶繼續(xù)運(yùn)行，裝有物料的瓶底到達(dá)預(yù)定位置后，搬運(yùn)手抓抓取瓶底運(yùn)送到瓶蓋預(yù)裝工位，同時(shí)瓶底供應(yīng)和物料裝瓶進(jìn)入下一次循環(huán)，儲(chǔ)物筒最底層瓶蓋預(yù)裝到瓶底上，搬運(yùn)手抓繼續(xù)抓取瓶底運(yùn)送到分揀工位，首先進(jìn)行瓶蓋壓緊動(dòng)作，然后分揀機(jī)構(gòu)根據(jù)色標(biāo)傳感器的檢測信號動(dòng)作，進(jìn)行成品分類，依次循環(huán)，直至所有成品分揀完成，系統(tǒng)停止運(yùn)行。

圖2 自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備工藝流程

3 主要結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)

3.1 瓶底－物料供應(yīng)結(jié)構(gòu)模塊

瓶底－物料供應(yīng)結(jié)構(gòu)模塊單元包括傳送帶單元、瓶底自動(dòng)供應(yīng)單元、物料自動(dòng)裝瓶單元及傳感器檢測單元等，如圖3所示。非標(biāo)零部件包括傳感器支架、傳送帶支架、支撐底板、定位豎板、瓶底筒橫豎板及物料筒橫豎板等，需自行設(shè)計(jì)加工。傳感器支架采用1.5 mm厚鈑金加工，傳送帶支架采用3 mm厚鈑金加工，支撐底板、定位豎板、瓶底筒橫豎板和物料筒橫豎板采用鋁合金加工并做陽極氧化處理。為了降低成本，縮短設(shè)計(jì)周期，非標(biāo)零部件的加工全部委托第三方代加工（即外協(xié)加工）。

瓶底為白色透明的塑料圓筒，底部有端蓋，開口處有卡槽，物料為黑色的塑料圓柱體，系統(tǒng)開始運(yùn)行前，由人工將瓶底和物料預(yù)先裝入到各自的儲(chǔ)物筒內(nèi)。系統(tǒng)開始運(yùn)行后，當(dāng)電容式接近開關(guān)檢測到瓶底信號時(shí)，瓶底固定氣缸活塞桿伸出夾緊固定倒數(shù)第二個(gè)瓶底，瓶底推送氣缸活塞桿縮回，最底層瓶底落下，當(dāng)對射型光纖傳感器檢測到瓶底信號時(shí)，傳送帶開始運(yùn)行，同時(shí)瓶底推送氣缸活塞桿伸出，瓶底固定氣缸活塞桿縮回。當(dāng)物料工位對射型光纖傳感器檢測到瓶底信號時(shí)，傳送帶停止運(yùn)行，定位氣缸活塞桿伸出將瓶底夾緊定位。當(dāng)電容式接近開關(guān)檢測到物料信號時(shí)，物料固定氣缸活塞桿伸出，夾緊固定倒數(shù)第二個(gè)物料，物料推送氣缸活塞桿縮回，最底層物料送出，延時(shí)2 s后，定位氣缸活塞桿縮回，傳送帶繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)物料推送氣缸活塞桿伸出，物料固定氣缸活塞桿縮回。當(dāng)對射型光電傳感器檢測到瓶底信號時(shí)，傳送帶停止運(yùn)行，等待搬運(yùn)手抓抓取。當(dāng)搬運(yùn)手抓將瓶底抓取搬運(yùn)走后，瓶底－物料供應(yīng)結(jié)構(gòu)模塊開始下一次循環(huán)運(yùn)行。

1.物料 2.對射型光電開關(guān)3.皮帶擋板4.傳送帶5.定位豎板6.物料擋板7.物料推送氣缸8.物料固定氣缸9.物料筒豎板10.物料固定頭11.物料筒橫板12.瓶底推送氣缸13.物料筒 14.瓶底固定氣缸15.瓶底筒豎板16.瓶底筒橫板 17.瓶底筒18.瓶底固定頭19.瓶底料擋板20.電容式接近開關(guān)21.支撐底板22.鋁型材角件23.直流調(diào)速電機(jī)24.定位氣缸25.2020鋁型材 26.傳送帶橫梁 27.傳送帶支架28.光電開關(guān)支架29.瓶底30.傳送帶同步帶輪 31.同步帶32.電機(jī)同步帶輪33.電機(jī)支架34.光纖傳感器支架35.對射型光纖傳感器

3.2 搬運(yùn)結(jié)構(gòu)模塊

搬運(yùn)結(jié)構(gòu)模塊單元主要包括滾珠絲桿滑臺(tái)、氣動(dòng)手抓、導(dǎo)桿氣缸以及傳感器等，如圖4所示。滾珠絲桿導(dǎo)程為10 mm，精度等級C級，有效行程500 mm，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為57步進(jìn)電機(jī)，通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)效率高。氣動(dòng)手抓選擇SMC品牌的MHZ2平行開閉型手指氣缸，開閉行程4 mm，夾持力6.1 N，作用方式為雙作用，以防斷氣斷電時(shí)工件掉落。氣動(dòng)手抓有兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)自由度，方向和方向，方向運(yùn)動(dòng)由導(dǎo)桿氣缸驅(qū)動(dòng)，方向運(yùn)動(dòng)由滾珠絲桿滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲桿滑臺(tái)上標(biāo)記有三個(gè)運(yùn)動(dòng)位置，分別是初始位置、瓶蓋位置和分揀位置，依次對應(yīng)工作臺(tái)上的瓶底－物料供應(yīng)工位、瓶蓋預(yù)裝工位和成品分揀工位，每個(gè)運(yùn)動(dòng)位置上安裝有電感式接近開關(guān)，用于檢測絲桿螺母的運(yùn)動(dòng)位置，即檢測定位氣動(dòng)手抓的位置，以便準(zhǔn)確完成搬運(yùn)動(dòng)作。

3.3 瓶蓋預(yù)裝結(jié)構(gòu)模塊

瓶蓋預(yù)裝結(jié)構(gòu)模塊單元主要包括瓶底底座運(yùn)送機(jī)構(gòu)、瓶蓋自動(dòng)預(yù)裝機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)系統(tǒng)以及傳感器檢測系統(tǒng)等，如圖5所示。瓶蓋為不透明的塑料材質(zhì)，有紅、綠、藍(lán)三種顏色，瓶蓋與瓶底扣合需要施加一定的壓力，在扣壓之前先將瓶蓋預(yù)裝到瓶底上，以便后續(xù)工序施壓，其中瓶蓋自動(dòng)預(yù)裝機(jī)構(gòu)的組成及工作過程和瓶底自動(dòng)供應(yīng)單元類似，此處不再贅述。

1.傳感器支架 2.電感式接近開關(guān)3.絲桿螺母4.直線導(dǎo)軌 5.步進(jìn)電機(jī)6.聯(lián)軸器7.滾珠絲桿8.物料9.滑臺(tái)支架 10.瓶底11.氣動(dòng)手抓12.導(dǎo)桿氣缸 13.滑臺(tái)底座

1.傳感器支架 2.反射型光纖傳感器3.瓶底底座4.瓶底 5.直線滑軌6.電容式接近開關(guān)7.瓶蓋筒豎板8.瓶蓋筒橫版 9.瓶蓋筒10.瓶蓋11.瓶蓋固定頭 12.瓶蓋固定氣缸 13.瓶蓋推送氣缸14.瓶蓋擋板15.瓶蓋筒底板 16.2020鋁型材17.鋁型材角件18.無桿氣缸支架 19.磁偶式無桿氣缸20.瓶底底座連接板 21.支撐底板

瓶底底座運(yùn)送機(jī)構(gòu)由磁偶式無桿氣缸、直線導(dǎo)軌和瓶底底座等構(gòu)成。磁偶式無桿氣缸的主要結(jié)構(gòu)為磁性活塞、缸筒、磁性滑塊及密封圈等，其工作原理為在活塞上安裝一組強(qiáng)磁性永久磁環(huán)，磁力線通過薄壁缸筒與套在外面的滑塊中的異極磁環(huán)相互作用，產(chǎn)生很強(qiáng)的吸力。當(dāng)活塞在缸筒內(nèi)被氣壓推動(dòng)時(shí)，在磁力作用下，帶動(dòng)缸筒外部的滑塊做同步移動(dòng)。值得注意的是氣缸活塞的推力必須與內(nèi)外磁環(huán)的吸力相適應(yīng)，否則當(dāng)氣壓過高或負(fù)載過重時(shí)，作用力會(huì)超出內(nèi)外磁環(huán)之間的耦合力造成脫磁，使得滑塊和活塞脫離，氣缸不能正常工作。因此磁偶式無桿氣缸的工作壓力、負(fù)載及速度必須控制在合理范圍內(nèi)。

3.4 成品分揀結(jié)構(gòu)模塊

成品分揀結(jié)構(gòu)模塊單元主要包括有瓶蓋壓緊機(jī)構(gòu)、傳送帶、分揀機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)系統(tǒng)以及傳感器檢測系統(tǒng)等，如圖6所示。瓶蓋壓緊機(jī)構(gòu)的輸出動(dòng)力選擇SDA系列薄型氣缸，該薄型氣缸的安裝空間小、性能穩(wěn)定可靠。成品的分揀根據(jù)瓶蓋的顏色進(jìn)行分類，瓶蓋顏色的檢測選擇OMRON色標(biāo)光電傳感器E3S-DC型號，其具有受光范圍寬廣、檢測穩(wěn)定、色差分辨率高等特點(diǎn)。

1.對射型光電開關(guān) 2.瓶蓋 3.氣缸豎板 4.氣缸橫板 5.分揀氣缸 6.薄型氣缸 7.色標(biāo)光電傳感器 8.成品推頭9.分揀支架 10.傳送帶 11.成品分類筒12.導(dǎo)向槽 13.三相交流異步電動(dòng)機(jī) 14.分類筒固定板15.對射型光纖傳感器 16.壓緊頭 17.傳送帶支架18.瓶底19.光電開關(guān)支架

當(dāng)對射型光電開關(guān)檢測到信號時(shí)，傳送帶開始運(yùn)行，當(dāng)對射型光纖傳感器檢測到信號時(shí)，傳送帶停止運(yùn)行，薄型氣缸活塞桿伸出，將瓶蓋下壓扣合，動(dòng)作完成后延時(shí)2 s，傳送帶繼續(xù)運(yùn)行，分揀氣缸根據(jù)色標(biāo)光電傳感器檢測到的信號進(jìn)行動(dòng)作，將相應(yīng)顏色的成品推送到分類筒中。依次循環(huán)，直到所有成品分揀完成。

4 結(jié)語

為適應(yīng)新時(shí)代職業(yè)教育改革發(fā)展的要求以及工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)企業(yè)對高技能應(yīng)用型人才的大力需求，根據(jù)學(xué)院的專業(yè)特色，因材施教，自主設(shè)計(jì)研發(fā)了一套自動(dòng)化生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備。該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊輕巧，運(yùn)行節(jié)能環(huán)保，可以進(jìn)行機(jī)械部件拆裝、電氣安裝接線、PLC編程控制、氣壓傳動(dòng)、傳感器檢測、步進(jìn)電機(jī)控制、直流電機(jī)調(diào)速、變頻器調(diào)速、觸摸屏及網(wǎng)絡(luò)通信等教學(xué)實(shí)訓(xùn)，拓展性較好，并且可以根據(jù)教學(xué)實(shí)際過程進(jìn)行靈活拆解組合，能很好地滿足職業(yè)院校機(jī)電工程、電氣自動(dòng)化、智能控制等專業(yè)學(xué)生的教學(xué)需求，實(shí)現(xiàn)真正意義上的應(yīng)用型技能人才的培養(yǎng)。

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Design of Practical Teaching Equipment for Automation Production Line

MIAO Yugang，HE Yuhui，JIN Hongji

( Department of Electrical Engineering, Sichuan Vocational College of Information Technology, Guangyuan 628040, China )

Aiming at the problems of mechanical-electrical integration practical teaching equipment in Vocational colleges, such as integration and solidification, inability to disassemble and assemble, poor flexibility and expansibility, single function and high cost etc, a practical teaching equipment for automatic production line is designed with modular design idea. The equipment is mainly composed of bottle and materials supply structure module, handling structure module, bottle cap pre-loading structure module and finished product sorting structure module. Each module can be flexibly disassembled and assembled for independent practical teaching, and can also be combined into a multi-functional pipeline for practical teaching. The research shows that the designed training teaching equipment is light in structure, economical and environmental protection, and can provide a teaching and training platform for teachers and students to meet the needs of social development.

automation；production line；teaching equipment；pneumatic technology

TH39；TP23

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2019.02.009

1006－0316 (2019) 00－0053－06

2019－08－20

2018年學(xué)院科技平臺(tái)課題（2018KC18）；2018年廣元市科學(xué)技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)局指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018ZCZDYF013）

苗玉剛（1987－），男，安徽太和人，工學(xué)碩士，助教，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)；何玉輝（1985－），男，四川南充人，工學(xué)碩士，助教，主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)；金洪吉（1982－），女，四川雙流人，本科，副教授，主要研究方向?yàn)镻LC控制技術(shù)。